宏纤维复合材料在管道结构振动主动控制上的应用

论文摘要

本文的主要工作就是研究通过宏纤维复合材料（Macro-Fiber-Composite）对管道结构进行主动控制的可能性以及实现方法。通过有限元仿真得到管道结构的振动模态数据。在此基础上,利用宏纤维复合材料,通过闭环控制系统实现了管道在20Hz低频段的控制作用。首先,研究了压电效应机理以及压电材料的特性。给出了宏纤维复合材料的压电作动机理,证明了其在电压驱动下的位移特性适合被应用在本实验的振动控制方面。然后,利用ANSYS软件完成了管道振动模型的建立、模态分析等工作。由于本实验所采用的MFC只对横向振动进行控制,所以须排除其非横向振动模态的振型。得到了其前十阶横向振型,对下一步的振动控制具有相当大的指导作用。最后,设计了主动控制结构模型的总体设计。在此基础上具体实现了振动信号的数字滤波、数值校正工作。通过对不同信号放大比的设定,试验证明,最好的控制效果发生在宏纤维复合材料驱动电压满额工作的情况下。该现象同时也证明该压电材料的驱动力还有待进一步提高。振动幅值减小量随着驱动信号放大比的减小成近似比例的减小,证明了该驱动器工作能力比较稳定。当对被控制管道长度进行调整时,作动效率降低很快,甚至会发生失稳现象。该现象证明作动器与传感器固定的位置对作动效果影响很大,需要在未来的研究中进一步完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 宏纤维复合材料的发展综述
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 压电效应及压电陶瓷材料的特性
• 2.1 压电效应机理
• 2.2 压电陶瓷材料的特性
• 2.2.1 压电陶瓷极化机理
• 2.2.2 位移特性
• 2.2.3 温度特性
• 2.2.4 其它特性
• 2.3 本章小结
• 第3章 管道振动理论分析及其有限元模拟
• 3.1 管道结构的动态特性
• 3.1.1 管道结构的固有频率
• 3.1.2 管道结构的动力响应分析
• 3.2 管道模型的建立与有限元分析
• 3.2.1 管道材料的确定
• 3.2.2 管道模型边界条件的确定
• 3.2.3 管道模型模态分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 管道的主动控制
• 4.1 主动控制结构设计
• 4.1.1 控制结构设计
• 4.1.2 本实验控制结构设计
• 4.2 数据预处理
• 4.2.1 数字滤波
• 4.2.2 数值校正
• 4.3 控制程序设计
• 4.4 实验与结果分析
• 4.4.1 驱动、传感机构的设置
• 4.4.2 不同放大比下的驱动效果
• 4.4.3 针对不同参数管道的振动控制
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢